УМК МЖГ стр 253-300 Модуль 11-13_МЖГ
.pdf
Отсчетное устройство имеет пять роликов для измерения объема во- ды в кубометрах и стрелочные указатели, используемые только при повер- ке. Сигнальная звездочка предназначена для быстрого определения рабо- тоспособности счетчика и при поверке вместе с оптоэлектронным узлом съема сигнала.
1.2. Турбинные счетчики воды
Основной частью турбинных счетчиков воды является измеритель- ная камера, обеспечивающая преобразование скорости потока во враща- тельное движение турбинки.
Измерительная камера располагается горизонтально или вертикально (рис. 12.5) в корпусе счетчика, где также встроены блок счетного механиз- ма и регулятор.
Рис. 12.5. Турбинные счетчики воды
Турбинные счетчики больших диаметров (более 100 мм) с горизон- тальной измерительной камерой иногда конструируют так, что камеру со счетным механизмом можно снять без демонтажа корпуса счетчика, кото- рый остается на трубопроводе. Счетчики меньших диаметров имеют невы- нимающийся механизм, который можно ремонтировать, только сняв счет- чик с места его установки.
Турбинные счетчики используют для измерения расходов холодной воды температурой до 40 ° С. Для измерения расходов воды температурой до 90 ° С применяются счетчики, в конструкции которых используются специальные термостойкие пластмассы.
Турбинные счетчики СТВ (рис. 12.6) конструктивно состоят из сле- дующих основных частей: корпуса, измерительной камеры, счетного блока и регулятора.
Корпус счетчика выполнен из серого чугуна и представляет собой цилиндрическую отливку с фланцами для присоединения к трубопроводу.
263
Рис. 12.6. Разрез турбинного счетчика воды:
1 – корпус; 2 – измерительная камера; 3 – струевыпрямитель; 4 – регулятор; 5 – блок счетного механизма; 6 – турбинка; 7 – чаша; 8 – заглушка; 9 – магнитная муфта
Измерительная камера устанавливается и крепится в расточке перед- ней части корпуса и состоит из струевыпрямителя, камеры и турбинки с осью. Струевыпрямитель выполняется из полимерного материала и пред- назначен для выпрямления потока, поступающего на лопасти турбинки. Основными частями струевыпрямителя являются обтекатель и плоские ребра. В ступице струевыпрямителя расположена первая опора турбинки. Камера представляет собой пластмассовый цилиндрический патрубок, на торце которого расположена вторая опора турбинки, связанная с цилинд- рической частью патрубка четырьмя радиальными ребрами.
Аксиальная пластмассовая турбинка с винтовыми лопастями имеет стальную ось, вращающуюся в подшипниках скольжения из графитового материала, обладающего в паре со сталью низким коэффициентом трения
ивысокой износоустойчивостью. Торцевая опора турбинки представляет собой специальный корундовый наконечник, который при работе упирает- ся в опору, также выполненную из корунда и встроенную в крестовину счетного блока. Блок счетного механизма, кроме крестовины, включает чашу и заглушку. В крестовине размещается коническая зубчатая передача
имагнитная муфта, а в чаше расположен зубчатый конический редуктор и отсчетное устройство. Счетчики СТВ имеют стрелочно-роликовый счет- ный механизм и снабжены сигнальной звездочкой, являющейся индикато- ром вращения турбинки.
264
Регулятор предназначен для приведения числа оборотов турбинки в соответствие с показаниями отсчетного устройства в пределах допустимой погрешности счетчика. Регулятор представляет собой пластину, которая занимает место ребра струевыпрямителя. Поворот пластины регулятора отключает часть потока, подаваемого на турбинку в ту или другую сторо- ну, замедляя или ускоряя вращение турбинки.
2. РАСХОДОМЕРЫ ПЕРЕМЕННОГО ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЯ
Принцип измерения расхода расходомером переменного перепада давления основан на том, что в зависимости от расхода вещества изменя- ется перепад давления на неподвижном сужающем устройстве, установ- ленном в трубопроводе или элементе трубопровода (колено).
Расходомеры переменного перепада давления состоят из трех эле- ментов: сужающего устройства, дифференциального манометра для изме- рения перепада давления и соединительных линий с запорной и предохра- нительной арматурой.
Применяются следующие стандартные сужающие устройства: диа- фрагмы, сопла, сопла Вентури и трубы Вентури.
Теоретические основы измерения рас- |
1 |
|
2 |
|
|
|
|
|||||||
хода с помощью сужающих устройств уста- |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
новленное в трубопроводе сужающее уст- |
|
|
|
|
|
|
h |
|
|
|
|
|
|
|
ройство (рис. 12.7) приводит к увеличению |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
скорости в суженом сечении. В результате |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
часть потенциальной энергии давления пе- |
|
|
|
|
|
|
||||||||
0 Q |
|
|
|
0 |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||
реходит в кинетическую, поэтому статиче- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ское давление в суженом сечении становит- |
1 |
|
|
2 |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||
ся меньше статического давления перед су- |
Рис. 12.7. Сужающее устройство |
|||||||||||||
жающим устройством. Перепад давлений зависит от скорости движения жидкости, а следовательно, и от расхода.
Для вывода основного уравнения расхода жидкости, протекающего через сужающее устройство, используется уравнение Д. Бернулли, со- ставленное для сечений 1-1 и 2-2. Сечение 1-1 выбирается перед су- жающим устройством, а сечение 2-2 в сжатом сечении. Плоскость срав- нения проводится по оси трубопровода. Потери напора между сечения- ми не учитываются.
265
В этом случае уравнение Бернулли запишется следующим образом:
|
p |
a |
× u2 |
|
|
|
p |
|
|
a |
|
× u2 |
|
||||||||||
|
1 |
+ |
1 |
1 |
|
= |
2 |
+ |
|
|
2 |
2 . |
(12.1) |
||||||||||
|
|
|
2g |
rg |
|
|
|
||||||||||||||||
|
rg |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2g |
|
|||||||||||
Принимая во внимание α1 = α2 = 1, используя уравнение неразрывно- |
|||||||||||||||||||||||
сти υ1ω1 = υ2ω2 и учитывая, что, решается уравнение относительно υ1: |
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
p1 |
- |
|
p 2 |
= h . |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
rg |
|
rg |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
u1 = |
|
|
|
|
|
|
|
2g |
|
|
|
× |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
h . |
|
(12.2) |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
w1 |
|
|
-1 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
w2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Теоретический расход в трубопроводе определяется по формуле:
Qm = w1u1 = |
|
|
w1 |
|
2g |
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
h , |
(12.3) |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
w1 |
-1 |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
w2 |
|
|
||||||||||||
|
|
ω1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
2g |
|
|
|
|
|
= C |
(12.4) |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
ω1 |
2 |
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
− 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
ω |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Тогда уравнение расхода примет вид: |
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
Q т = C |
|
, |
(12.5) |
|||||||||||||||
|
|
|
h |
||||||||||||||||||
где С – постоянная расходомера. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
При выводе зависимости (12.5) не учитывались потери энергии, по- этому фактический расход будет меньше теоретического. Это несоответст- вие расходов характеризуется коэффициентом расхода:
μ = |
Q |
. |
|
|
(12.6) |
||
|
|
|
|||||
|
Q т |
|
|||||
Окончательная формула для определения расхода принимает сле- |
|||||||
дующий вид: |
|
||||||
Q = μC |
|
= A |
|
, |
(12.7) |
||
h |
h |
||||||
где А – коэффициент расхода расходомера: |
|
||||||
A = m × C . |
(12.8) |
||||||
266
3. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ СУЖАЮЩИХ УСТРОЙСТВ
При измерении расхода методом переменного перепада давления ис- пользуются правила измерения расхода газов и жидкостей стандартными сужающими устройствами.
Стандартные (нормализованные) сужающие устройства должны от- вечать требованиям этих правил и применяться для измерения расхода ве- щества без их индивидуальной градуировки.
3.1. Диафрагмы
При измерении расхода жидкости благодаря простоте кон- струкции, удобству монтажа и де- монтажа широкое распростране- ние получили диафрагмы. Стан- дартные диафрагмы (рис. 12.8), представляющие собой диск с от- верстием, могут быть с угловым или фланцевым способами отбора перепада давления.
Конструктивно диафрагмы выполняются камерными или бес- камерными. В бескамерных диа- фрагмах отбор перепада давления осуществляется через отверстия в трубопроводе или фланцах.
Кольцевые камеры предназначаются для осреднения и выравнивания давления по периметру сечения. В результате этого повышается точность измерения. Камеры выполняют в ободах или обоймах диафрагмы. Для труб диаметром более 400 мм камеры выполняются в виде кольцевой трубки, охватывающей трубопровод.
Точность измерений расхода с помощью диафрагм существенно за- висит от качества их установки и наличия перед ними участков труб рас- четного диаметра без дополнительных источников возмущений (заусенцы, сварные швы, колена, тройники, запорная арматура).
Основным недостатком диафрагмы является то, что она обладает большим гидравлическим сопротивлением и вызывает значительные поте- ри напора.
267
3.2. Расходомерные сопла
Основное уравнение расхода (12.3) справедливо и для сопел. Расходомерное сопло (рис. 12.9) представляет собой уст- ройство с круглым отверстием, имеющим плавно сужающуюся часть на входе и ци- линдрическую часть на выходе.
Точность измерения расхода со- плами несколько выше точности измере- ния диафрагмами благодаря отсутствию
дополнительной погрешности на недос- Рис. 12.9. Схемы стандартных сопел таточную остроту входной кромки. Со-
пла в качестве сужающих устройств для расходомеров распространения не получили, так как потери напора в них немногим меньше, чем в диафраг- мах, а изготовление их значительно сложнее.
Сужающим устройством, обладающим высокой точностью измерения расхода и не создающим больших потерь напора, является сопло Вентури.
Соплом Вентури называется сужающее устройство, входная часть которого выполнена по форме стандартного сопла, а в устье имеется ко- нус, служащий для уменьшения потерь напора.
|
В зависимости от длины и цен- |
|
трального угла конуса различают длин- |
|
ные и укороченные сопла Вентури. В |
|
системах водоснабжения и канализации |
|
чаще используются укороченные сопла |
|
Вентури. Сопла Вентури изготавливают |
|
двух типов (рис. 12.10). |
|
Первый тип предназначен для труб |
|
условным проходом от 50 до 200 мм, |
|
выполняют из цветных металлов и чу- |
|
гунным корпусом. Второй тип предна- |
|
значен для труб условным проходом от |
Рис. 12.10. Схема сопел Вентури: |
250 до 1400 мм, выполняют из чугуна, |
а) первого типа; б) второго типа |
покрытым антикоррозионным корпусом |
|
без фланцев. |
При установке сопла Вентури необходимо соблюдать соосность тру- бы и сопла. Вблизи сопла Вентури должны отсутствовать источники, при- водящие к искажению потока.
268
3.3. Трубы Вентури
Трубы Вентури были предложены ранее других сужающих уст- ройств. В зависимости от размеров диффузора трубы Вентури бывают ко- роткими и длинными.
Наиболее простыми и удобными в изготовлении являются сварные трубы Вентури.
Стандартные трубы Вентури (рис. 12.11) состоят из следующих ос- новных частей: входного цилиндра, сужающего конуса, горловины, рас- ширяющегося конуса и выходного цилиндра. Все части собираются путем сварки. Отбор давления осуществляется из усредняющих кольцевых ка- мер. В нижней части кольцевых камер устанавливаются пробковые краны для спуска жидкости.
Рис. 12.11. Схема труб Вентури: I – короткая труба; II – длинная труба;
1 – входной патрубок; 2 – кольцевые |
камеры; 3 – входной конус; 4 – горловина; |
5 – выходной; 6 |
– выходной патрубок |
Трубы Вентури присоединяют к стальным трубопроводам сваркой. В некоторых случаях допускается присоединение на фланцах.
Особенностью стандартных труб Вентури является их малая метал- лоемкость. Необходимые длины прямых участков перед трубами Вентури существенно меньше, чем перед диафрагмами и соплами. Преимуществом труб являются малые потери напора, возможность измерения расхода за- грязненной жидкости, долговечность. Единственным существенным не- достатком является громоздкость.
4. РАСХОДОМЕРЫ ПОСТОЯННОГО ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЯ
Расходомеры постоянного перепада давления относятся к группе расходомеров обтекания, то есть, к расходомерам, основанным на зависи- мости перемещения тела, воспринимающего динамическое давление обте- кающего его потока, от расхода измеряемой среды.
269
Измерительный орган этих расходомеров, перемещаясь вертикально, в зависимости от расхода, изменяет площадь кольцевого зазора таким об- разом, что перепад давления по обе его стороны остается постоянным.
Наиболее распространенны- ми расходомерами постоянного перепада давления являются рота- метры. Основной измерительной частью ротаметров является ро- таметрическая пара. Различают три типа ротаметрических пар
(рис. 12.12).
Ротаметрическая пара пер- вого типа состоит из измеритель- ного конуса и поплавка (ротора). Эта конструкция применяется в стеклянных и металлических ро- таметрах. Пара второго типа со- стоит из диафрагмы и поплавка и применяется в металлических ро- таметрах. Ротаметрическая пара
третьего вида состоит из кольцевого поплавка, размещенного в зазоре ме- жду внешним и внутренним конусами. Такие пары применяются в метал- лических ротаметрах для измерения больших расходов жидкости.
4.1. Теоретические основы измерения расхода при помощи рота-
метров
(ρп − ρ)
Рассмотрим ротаметрическую пару первого типа. Поплавок в потоке обтекающей его жидкости находится под действием системы сил (рис. 12.13). На поплавок действуют:
а) сила тяжести поплавка:
|
G = Wg (ρn − ρ) , |
(12.9) |
где W – |
объем поплавка; |
|
g – |
ускорение свободного падения; |
|
– плотность жидкости и плотность материала, из которого изго-
товлен поплавок; б) сила давления на верхнюю часть поплавка:
|
P 2 = р2 × ωn , |
(12.10) |
где p2 – |
давление жидкости над поплавком; |
|
ωn – |
площадь поплавка. |
|
|
270 |
|
|
в) сила давления на нижнюю часть поплавка |
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
P1 = р1 × wn , |
|
|
|
|
(12.11) |
||||
где |
p1 – |
давление жидкости под поплавком. |
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
г) сила трения потока о поплавок: |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
F = к × uк × wб , |
|
|
|
|
(12.12) |
||||
где |
к – |
коэффициент сопротивления поплавка; |
|
|
|
||||||||||||||
|
υк – |
скорость движения жидкости в кольцевом канале между поплав- |
|||||||||||||||||
ком и стенкой; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
ωб – |
площадь боковой части поплавка. |
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
д) сила динамического давления: |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
u2 |
|
|
|
|
(12.13) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
P д = j × r |
1 × wn |
|
|
|
|
||||
|
j – |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
где |
коэффициент сопротивления (обтекания) поплавка; |
|
|||||||||||||||||
|
r – |
плотность жидкости; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
υ1 – |
скорость движения жидкости в сечении 1-1 (рис. 12.13). |
|
||||||||||||||||
|
Перепад давления на поплавок определится из условия равновесия |
||||||||||||||||||
поплавка: |
|
|
|
|
|
|
P 2 + G = P1 + Pд + F |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(12.14) |
||||||||
|
|
r |
2 |
wn + Wg |
(r |
n |
- r) = r wn + j × r u12 wn + к × uк×wб |
(12.15) |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
2 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
р wn - р |
2 |
wn = Wg (r |
п |
- r) - jr u12 wn - к × uк × wб |
(12.16) |
||||||||||||
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
Wg (rn |
- r) |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
u2 |
wб |
|
|
||||||
|
|
|
|
P1 - P 2 |
= |
|
|
|
|
|
- jr × |
|
1 |
- |
|
× к × uк |
(12.17) |
||
|
|
|
|
|
|
wn |
|
|
|
2 |
wn |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Для вывода основного уравнения расхода жидкости, протекающей через ротаметр, составим уравнение Бернулли для сечений 1-1 и 2-2 (рис. 12.13):
|
|
|
р |
1 |
|
a |
u2 |
|
|
р |
2 |
|
a |
2 |
u2 |
|
u2 |
|
||
z |
|
+ |
|
+ |
|
1 |
1 |
= z |
|
+ |
|
+ |
|
2 |
+ z |
2 |
(12.18) |
|||
1 |
g |
2g |
|
2 |
g |
2g |
2g |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Решая совместно уравнения (12.17) и (12.18), получим зависимость для определения скорости движения жидкости в кольцевом канале:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
uк = к1 × |
|
|
2gW (rn - r) |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
, |
|
|
(12.19) |
||
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
r × wn |
|
|||||
тогда расход определится как: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Q = wк × к1 |
× |
|
|
2gW |
(rn - r) |
|
(12.20) |
|||
|
|
|
rwn |
||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||
где к1 – |
коэффициент расхода ротаметра; |
|
|
|
|
|
|
||||
ωк – |
площадь кольцевого зазора между поплавком и стенкой. |
|
|||||||||
|
|
|
271 |
|
|
|
|
|
|
||
Коэффициент расхода ротаметра зависит от угла конусности, формы и веса поплавка, плотности и вязкости жидкости, и установить его, даже для каких-либо эталонных условий, практически невозможно. Поэтому при изго- товлении ротаметров прибегают к их экспериментальной градуировке.
4.2. Конструкции ротаметров
По конструктивному исполнению ротаметры подразделяют на стек- лянные с местным отсчетом (РМ) и металлические с электрическим (РЭ) или пневматическим (РП) выходным сигналом.
Ротаметры типа РМ со стеклянной трубкой (рис. 12.14) заменяют ра- нее выпускавшиеся типа РС.
Рис. 12.14. Ротаметры со стеклянной измерительной трубкой:
а) ротаметр с фланцевыми соединениями; б) ротаметр с защитной трубкой; в) ротаметр со штуцерами для шлангов; г) ротаметр РС-3А
Поплавок у ротаметров типа РМ в зависимости от пределов измере- ния изготавливают из стали, анодированного дюралюминия, эбонита или титана. Ротаметры этого типа могут работать при температуре измеряемой среды в пределах от 5 до 50 ºС. Они находят широкое применение в науч- ных исследованиях, а также в промышленности для измерения небольших расходов жидкости и газов (например, в хлораторах ЛОНИИСТО). Основ- ная наибольшая приведенная погрешность составляет ± 2,5 %.
272